JP2008286307A - ボールねじ機構 - Google Patents

Abstract

【課題】応答性に優れ、省エネを図ることが出来、トラブル等が生じても手動操作を邪魔しないボールねじ機構を提供する。
【解決手段】ねじ溝２ａ、１ａと、ボール３とが、軸線方向に隙間Δを有するので、所定間隔を置いた複数のディテント位置のいずれかに静止させるような場合に、ディテント位置に付勢するディテントバネ４７の付勢力を弱くすることが出来、省エネを図れると共に、電気系のトラブル等により手動で駆動しなければならない場合など，ボールねじ機構の動トルクが小さいので、手動にて容易に駆動できる。
【選択図】図４

Description

本発明は、自動車用の電動アクチュエータ、例えば自動変速機制御装置（シフトバイワイヤ）や、電動ブレーキ、マニュアルトランスミッションの自動制御装置（ＡＭＴ）等に使用されるボールねじ機構に関するものである。

近年、車両等の省力化が進み、例えば自動車のトランスミッションやパーキングブレーキなどを手動でなく、電動モータの力により行うシステムが開発されている。そのような用途に用いる電動アクチュエータには、電動モータから伝達される回転運動を高効率で軸線方向運動に変換するために、ボールねじ機構が用いられる場合がある。

ここで，軸線方向荷重を予圧手段で与えることにより，ボールとねじ軸およびナットのボール溝との間に付勢力を与えている、いわゆる予圧式のボールねじ機構が知られている（例えば，特許文献１，２参照）。予圧手段としては，ダブルナット，バネ，オフセット，径の大きいオーバーボールを組み込むことなど、種々のものがある。
特開２０００−３４６１６２号公報 特開２００２−１６１９６１号公報 特許第３０２１８５７号明細書 特開２００６−３２２４９０号公報

ここで、特許文献３に開示された自動変速機の制御装置においては、リンク機構にガタをもたせ，正確に停止しなくても，遊び量の範囲でディテント機構の機能により自走して目標のポジションに位置決めすることが提案されている。しかしながら、このようなガタは、走行中の騒音や微小振動により当接部のフレッチング等の問題を引き起こす恐れがある。また，回転方向を反転させる場合，ガタ量の分だけ作動しない領域があり，応答性を損ねるという問題もある。よって，構成部品間にガタを与えるよりも、各構成部品の機械効率をあげ，目標位置に正確に停止しなくても，ディテント機構の谷の範囲内で逆作動して自走し，目標位置に停止させたほうがよいという考えがある。

また，特許文献４には，ボールねじ機構を用いた電動パーキングロック装置が開示されている。この電動パーキングロック装置においては，電動モータの駆動を停止させた後、ばねの付勢力によってローラピンをディテントの底部まで移動させている。しかるに、ボールねじ機構が与圧式であると，上記ばね力としては、ボールねじ機構の与圧トルク以上の力である必要があり，従ってばね力を大きくする必要がある。ばね力を大きくすると、その分，電動モータのモータ容量を大きくする必要があり，省エネ等の観点から好ましくないといえる。

一方で，特許文献４には，電動モータが駆動不能となった場合に，手動レバーでパーキングロックを解除するフェイルセーフ機能も開示されている。しかるに、予圧式のボールねじ機構を用いると，電気系のトラブル等により手動で解除しなければならない場合など，予圧が付与されたボールねじ機構の動トルクに抗して駆動させねばならない為に，かなりの腕力を必要とするという問題がある。

本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、応答性に優れ、省エネを図ることが出来、トラブル等が生じても手動操作を邪魔しないボールねじ機構を提供することを目的とする。

本発明のボールねじ機構は、
外周面に雄ねじ溝を形成したねじ軸と、
前記ねじ軸を包囲するように配置され且つ内周面に雌ねじ溝を形成したナットと、
対向する両ねじ溝間に形成された転走路に沿って転動自在に配置された複数のボールと、を有し、
前記ねじ軸と前記ナットとの間に軸線方向における相対荷重が付与されない状態で、前記雌ねじ溝及び前記雄ねじ溝と、前記ボールとは、少なくとも軸線方向に隙間を有することを特徴とする。

本発明によれば、前記ねじ軸と前記ナットとの間に軸線方向における相対荷重が付与されない状態で、前記雌ねじ溝及び前記雄ねじ溝と、前記ボールとは、少なくとも軸線方向に隙間を有する（即ち図４に示す断面において、ねじ溝とボールとは二点接触する）ので、所定間隔を置いた複数の停止位置のいずれかに静止させるような場合に、停止位置に付勢するばね力を弱くすることが出来、省エネを図れると共に、電気系のトラブル等により手動で駆動しなければならない場合など，ボールねじ機構の動トルクが小さいので、手動にて容易に駆動できる。尚、「隙間」は、予圧を与えない程度のごくわずかな隙間であり，軸線方向において，０ミクロンより大きく数十ミクロン以下であることが望ましい。またボールは，鋼球でもセラミックボールでもよい。

前記ボールねじ機構は、車両の自動変速機におけるシフトレンジ切替機構に用いられると好ましい。

本発明のボールねじ機構は、ボールの循環方式として、チューブ式，コマ式（実開平１−７１２６３参照）を採用してもよい。あるいは，循環部を直接ナットに設けてもよい（特開２００３−３０７２６３参照）。

ねじ軸を回転自在に支持する２つの軸受の内、一方の軸受は四点接触式玉軸受が好適である。ねじ軸を回転自在に支持する他方の軸受は、通常の深溝玉軸受でよい。この軸受は軸方向荷重を支持せず，ラジアル力のみを受けることとなる。

次に、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は、本実施の形態であるボールねじ機構の側面図であり、図２は、本実施の形態であるボールねじ機構の上面図であり、図３は、図１の矢印IIIで示す部位を拡大して示す図であり、図４は、雄ねじ溝と雌ねじ溝との間に介装されたボールを示す断面図である。図５は、図１，２のボールねじ機構を用いた自動変速機のシフトレンジ切替機構を示す図である。

ねじ軸１は、図１，２において、左端側より丸軸部１ｂ、雄ねじ溝１ａ、フランジ部１ｃと、雄セレーション部１ｄ、丸軸部１ｅ、テーパ溝部１ｆを外周面に有している。ねじ軸１は、ハウジングＨに対して、丸軸部１ｂに嵌合した深溝玉軸受４と，丸軸部１ｅに嵌合した四点接触式玉軸受５とにより回転可能に支持されている。

図３において、樹脂製のギヤ７は、内周に形成した雌セレーション部７ａを、ねじ軸１の雄セレーション部１ｄに係合させることで、ねじ軸１に対して一体的に回転するように取り付けられている。ギヤ７は、フランジ部１ｃと、雄セレーション部１ｄに当接する間座８との間に、軸線方向に圧縮力を受けることなく挟持されている。間座８は、四点接触式玉軸受５の内輪を介してリング９により図３で左方に付勢されている。薄肉円筒状のリング９は、テーパ溝部１ｆ内に端部が縮径するようにカシメられ、テーパ溝部１ｆの側面に底付きすることで軸力を発生するようになっている。かかるリング９の付勢により、雄セレーション部１ｄ、間座８、四点接触式玉軸受５、リング９、テーパ溝部１ｆの間にガタは存在しない。

四点接触式玉軸受５は、軸線方向両方向の荷重を支持することにより，ボールねじ機構以外の軸線方向のガタを極力抑えることができる。リング９の外径Ｄは、カシメにより，四点接触式玉軸受５の内輪の溝（軌道面）形状を変形させることが無いように，内輪の溝底径ｄ以下であることが望ましい。ねじ軸１のテーパ溝１ｆは、転造加工によって成形されると好ましい。ねじ軸１には軸径より大きなフランジ部１ｃがある為に，雄ねじ溝１ａは、所謂インフィード転造によって加工することが望ましい。

図１，２において、略円筒状のナット２は、被駆動部材としてのコントロールロッド４５に、その両側でリンク部材Ｌ１，Ｌ２を介してピン結合（ナット２のピン外周にブッシュや軸受を設けると好ましい）され、ハウジングＨに対して回転不能且つ軸線方向にのみ移動可能に支持されている。ナット２は、ねじ軸１を包囲するように配置され且つ内周面に雌ねじ溝２ａ（図４参照）を形成している。複数のボール３（図４参照）が、対向する両ねじ溝間に形成された螺旋状の転走路内を転動自在となるように配置されている。

ナット２の外周に、チューブ１０が取り付けられている。チューブ１０は、ナット２内で雌ねじ溝２ａと雄ねじ溝１ａとの間に形成される螺旋状の転走路の一端と他端とを連結し、転走路を転動するボール３を循環させる機能を有する。チューブの代わりにコマを設けても良い。

本実施の形態のボールねじ機構において，ナット２およびねじ軸１のねじ溝２ａ、１ａは、ゴシックアーク形状にされ，ねじ溝２ａ、１ａの空間よりもわずかに小さなボール３を挿入することで，図４に示すように、軸線方向に隙間Δを与えている。ねじ溝２ａ、１ａの曲率半径より大きな径のボールを用いて与えるオーバーボール式与圧であると，ボール３とねじ溝２ａ、１ａは外部荷重がゼロでも弾性変形しているため、常に四点接触となり，動作時の損失も大きくなる。即ち、本実施の形態のように、軸線方向に隙間Δを与えることで、ボール３とねじ溝２ａ、１ａとは二点で接触し，転がり損失も少なくなる。

次に、本実施の形態にかかるボールねじ機構を用いることができるシフトレンジ切替機構ＳＣ（パーキング切替機構ＰＣを含む）について説明する。図５において、シフトレンジ切替機構ＳＣは、出力軸によって駆動されて、不図示の自動変速機の実シフトレンジの切り替えを行うものである。自動変速機における各シフトレンジ（例えば、Ｐ、Ｒ、Ｎ、Ｄ）の切り替えは、油圧バルブボディ４１に設けられたマニュアルスプール弁４２を適切な位置にスライド変位させ、自動変速機の図示しない油圧クラッチへの油圧供給路を切り替え、油圧クラッチの係合状態をコントロールすることによって行われる。

一方、パーキング切替機構ＰＣは、シフトレンジ切替機構ＳＣに連動し、実シフトレンジがパーキングレンジ（Ｐ）に設定されることで自動変速機の出力軸を機械的にロックするものである。パーキング切替機構ＰＣによる自動変速機の出力軸のロックとアンロックの切り替えは、パークギヤ４３の凹部４３ａとパークポール４４の凸部４４ａの係脱によって行われる。なお、パークギヤ４３は、図示しないドライブシャフトや図示しないディファレンシャルギヤ等を介して自動変速機の出力軸に連結されたものであり、パークギヤ４３の回転を規制することで自動変速機の出力軸側（車両の駆動輪側）をロックして、車両のパーキングのロック状態を達成するものである。

図１，２のリンクＬ１，Ｌ２に連結されたコントロールロッド４５には、略扇形状を呈したディテントプレート４６が図示しないスプリングピン等を打ち込むことにより固定されている。ディテントプレート４６は、半径方向の先端（略扇形状の円弧部）に複数のディテント溝４６ａが設けられており、油圧バルブボディ４１に固定されたディテントバネ４７の先端の係合部４７ａがディテント溝（ディテント位置という）４６ａに嵌まり合うことで、切り替えられたシフトレンジが保持されるようになっている。

ディテントプレート４６には、マニュアルスプール弁４２を駆動するためのピン４８が取り付けられている。ピン４８は、マニュアルスプール弁４２の端部に設けられた溝４９に係合しており、ディテントプレート４６がコントロールロッド４５によって回動操作されると、ピン４８が円弧駆動されて、ピン４８に係合するマニュアルスプール弁４２が油圧バルブボディ４１の内部で直線運動を行う。

不図示のモータから、ギヤ７に回転力が伝達され、ねじ軸１が回転駆動されると、転走路を転動するボール３により、かかる回転運動がナット２の軸線方向運動に効率よく変換され、駆動されたリンクＬ１，Ｌ２を介してコントロールロッド４５が、図５中矢印Ａ方向から見て時計回り方向に回転する。これにより、ディテントプレート４６を介してピン４８がマニュアルスプール弁４２を油圧バルブボディ４１の内部に押し込み、油圧バルブボディ４１内の油路がＤ→Ｎ→Ｒ→Ｐの順に切り替えられる。つまり、自動変速機のシフトレンジがＤ→Ｎ→Ｒ→Ｐの順に切り替えられる。

一方、不図示のモータを逆転させることで、逆方向にコントロールロッド４５を回転させると、ピン４８がマニュアルスプール弁４２を油圧バルブボディ４１から引き出し、油圧バルブボディ４１内の油路がＰ→Ｒ→Ｎ→Ｄの順に切り替えられる。つまり、自動変速機のシフトレンジがＰ→Ｒ→Ｎ→Ｄの順に切り替えられる。

更に、ディテントプレート４６には、パークポール４４を駆動するためのパークロッド５１が取り付けられている。このパークロッド５１の先端には円錐部５２が設けられている。この円錐部５２は、自動変速機のハウジングの突出部５３とパークポール４４の間に介在されるものであり、コントロールロッド４５を図５中矢印Ａ方向から見て時計回り方向に回転させると（具体的には、Ｒ→Ｐレンジ）、ディテントプレート４６を介してパークロッド５１が図５中矢印Ｂ方向へ変位して円錐部５２がパークポール４４を押し上げる。すると、パークポール４４が軸４４ｂを中心に図５中矢印Ｃ方向に回転し、パークポール４４の凸部４４ａがパークギヤ４３の凹部４３ａに係合し、パーキング切替機構ＰＣのロック状態が達成される。

一方、逆方向へコントロールロッド４５を回転させると（具体的には、Ｐ→Ｒレンジ）、パークロッド５１が図５中矢印Ｂ方向とは反対方向に引き戻され、パークポール４４を押し上げる力が無くなる。パークポール４４は、図示しないバネにより、図５中矢印Ｃ方向とは反対方向に常に付勢されているため、パークポール４４の凸部４４ａがパークギヤ４３の凹部４３ａから外れ、パークギヤ４３がフリーになり、パーキング切替機構ＰＣがアンロック状態になる。

本実施の形態によれば、ねじ溝２ａ、１ａと、ボール３とが、軸線方向に隙間Δを有するので、所定間隔を置いた複数のディテント位置のいずれかに静止させるような場合に、ディテント位置に付勢するディテントバネ４７の付勢力を弱くすることが出来、省エネを図れると共に、電気系のトラブル等により手動で駆動しなければならない場合など，ボールねじ機構の動トルクが小さいので、ナット２にリンクＬ１，Ｌ２が連結された状態でも、手動にてディテントプレート４６又はコントロールロッド４７を容易に回転することができる。

以上、本発明を実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定して解釈されるべきではなく、適宜変更・改良が可能であることはもちろんである。

本実施の形態であるボールねじ機構の側面図である。 本実施の形態であるボールねじ機構の上面図である。 図１の矢印IIIで示す部位を拡大して示す図である。 雄ねじ溝と雌ねじ溝との間に介装されたボールを示す図である。 図１，２のボールねじ機構を用いた自動変速機のシフトレンジ切替機構を示す図である。

符号の説明

１ ねじ軸
２ ナット
３ ボール
４ 深溝玉軸受
５ 四点接触式玉軸受
７ ギヤ
８ 間座
９ リング
１０ チューブ
ＳＣ シフトレンジ切替機構ＳＣ

Claims (2)

1. 外周面に雄ねじ溝を形成したねじ軸と、
   前記ねじ軸を包囲するように配置され且つ内周面に雌ねじ溝を形成したナットと、
   対向する両ねじ溝間に形成された転走路に沿って転動自在に配置された複数のボールと、を有し、
   前記ねじ軸と前記ナットとの間に軸線方向における相対荷重が付与されない状態で、前記雌ねじ溝及び前記雄ねじ溝と、前記ボールとは、少なくとも軸線方向に隙間を有することを特徴とするボールねじ機構。
2. 前記ボールねじ機構は、車両の自動変速機におけるシフトレンジ切替機構に用いられることを特徴とする請求項１に記載のボールねじ機構。

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